EP1302990A2 - Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes und Piezoantrieb zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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EP1302990A2
EP1302990A2 EP02019396A EP02019396A EP1302990A2 EP 1302990 A2 EP1302990 A2 EP 1302990A2 EP 02019396 A EP02019396 A EP 02019396A EP 02019396 A EP02019396 A EP 02019396A EP 1302990 A2 EP1302990 A2 EP 1302990A2
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EP
European Patent Office
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piezo
piezo actuator
voltage
current source
actuator
Prior art date
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EP02019396A
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English (en)
French (fr)
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EP1302990B1 (de
EP1302990A3 (de
Inventor
Dirk Jansen
Matthias Baumgartner
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Eppendorf SE
Original Assignee
Eppendorf SE
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Publication date
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Publication of EP1302990A3 publication Critical patent/EP1302990A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a piezo drive and to a piezo drive suitable for carrying out the method.
  • Piezo drives can be used in various areas.
  • On Field of application are dosing devices, especially for small dosing quantities in Nano to milliliter range.
  • WO 99/10099 discloses various microdosing systems that use a free jet dosing device and / or have a micromembrane pump.
  • Micro diaphragm pump or free jet dispensers have a displacement chamber and an associated one, deformable displacement wall or membrane, which is made of a piezoelectric Actuator can be driven.
  • the displacement chamber is with a reservoir connected to supply with liquid and feeds a metering opening, which as Nozzle can be formed.
  • the micro diaphragm pump the liquid runs or drips from a metering opening.
  • the free jet dispenser With the free jet dispenser, however, the liquid ejected from the metering opening in a free jet. From this publication it is already known to have a fluid module consisting of a reservoir and a displacement chamber insert into a receiving shaft of a metering device, the has an actuator assigned to the receiving shaft, which on the membrane of the Module acts.
  • a further microdosing device is known from WO 99/37400 has interchangeably arranged metering module in a housing.
  • the dosing module comprises a dosing chip with a displacer membrane and a pressure chamber a nozzle and a medium reservoir is connected.
  • the actuator is only in contact with the displacer brought.
  • the actuator is a piezo stack actuator ("Piezostack"), the force of which is over a Transfer the pivoted lever link to a pressure point of the dosing chamber becomes.
  • the dosing volume depends on the volume applied to the piezo stack Piezovoltage.
  • the suction phase designated interval a drive signal U (t) with a low edge steepness applied to the actuator, which is a slow actuation of the Membrane caused from the starting position.
  • the control signal is in a dosing phase down in a very short interval to get the liquid through the Eject nozzle in a clear jet.
  • the object of the invention is to develop a method for Control a piezo actuator with improved accuracy put.
  • a suitable piezo drive should be used to carry out the method to provide.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1. Furthermore, it is provided by a piezo drive with the features of claim 9 solved. Advantageous embodiments of the method and the piezo drive are shown in specified in the subclaims.
  • the method according to the invention and the piezo drive work instead of one Voltage source with a current source.
  • the power source is characterized by a large internal resistance, so that they have a substantially constant current supplies.
  • the internal resistance of the ideal power source is almost infinite.
  • the piezo actuator by current control to a defined Forcing displacement would be a timed power source.
  • the Accuracy of the power source and the timing could be relatively low Effort must be ensured.
  • the one that sets in over the energization time Voltage and therefore the deflection of the piezo actuator is also a function the capacity of the piezo stack. More detailed investigations have shown that this does not behave like an ideal capacitor, but that the capacitance changes with the deflection of the piezo actuator changes, between capacitance and deflection there is no linear relationship. It would also add capacity dependencies of temperature, aging and mechanical preload on the piezo actuator Lead to inaccuracies in the voltage and thus the deflection.
  • the invention therefore works with a current source feeding the piezo actuator and a measurement of the actually applied to the piezo actuator when the current is being fed Tension.
  • the measured voltage is used to achieve the desired one Deflection required setpoint voltage compared using the deflection characteristic of the piezo actuator can be determined, i.e. the dependence of Deflection of the piezo actuator from the applied voltage.
  • the supply of the piezo actuator is switched off and thus exactly achieves the desired deflection. That way the piezo actuator can be both charged and discharged to expand the piezo actuator or move in together, i.e. deflect in different directions.
  • the piezo actuator only has a non-constant capacitance a little influence on the dynamics of the deflection, but no longer on the Deflection itself.
  • the accuracy of the deflection is mainly due to the Accuracy of the measurement of the voltage at the piezo actuator is determined. This can be done by a calibrated voltage measuring device can be ensured.
  • the power source can be operated on the other hand, in principle, and the capacity of the piezo actuator does not need to be taken into account.
  • the Dependence on the tolerant and not constant in dynamic operation The capacity of the piezo actuator is eliminated, as is the dependency on the mechanical one Preload, age and temperature.
  • the accuracy of the Deflection is significantly improved while maintaining the accuracy of the deflection and reduces the effort for production and service. This is particularly so advantageous for applications in dosing devices.
  • the invention can in principle be used in any piezo actuator come. It is particularly useful for piezo stacks because Piezostacks the capacitance influences described above are particularly pronounced.
  • the dynamics of the deflection depend on the current with which the piezo actuator is fed.
  • the current source is an adjustable current source, so that the dynamics of the deflection can be influenced by adjusting the current is.
  • the power source By adjusting the power source, one can be used for the entire deflection certain dynamics are specified. Furthermore, by adjusting during the dynamics of the deflection are influenced.
  • the piezo actuator is controlled so that the expansion and the contraction takes place with different dynamics. This can especially for the deformation of the displacement wall of displacement chambers in Dosing devices can be used.
  • the piezo actuator acts on a deformable displacement wall a displacement chamber for dosing fluids and the deflection of the piezo actuator for a desired dosing quantity of the fluid with the aid of a Dosing characteristics of the displacement chamber are determined and the piezo actuator accordingly controlled.
  • the displacement chamber is therefore part of a piezo drive, which causes the dosing of fluids.
  • the dosing characteristic is that Dependence of the displaced fluid volume on the deformation of the displacer wall, which can be determined for the displacement chamber.
  • the desired dosage amount is achieved using a single one Deflection recorded in the displacement chamber and / or ejected from it. This is the case with relatively small, smaller dosing quantities Applications that fall below the displacement volume of the displacement chamber.
  • the desired dosing amount is achieved using several Deflections recorded in and / or out of the displacement chamber pushed out. This applies in particular to relatively large dosing quantities exceed the displacement volume of the displacement chamber.
  • the piezo actuator and the electrical control device one power source for charging and another power source for discharging connected to control expansion and contraction of the piezo actuator.
  • the voltage measuring device and the device for comparing can be different Facilities.
  • the device for Determination of the target voltage connected to a differential voltage measuring device and the differential voltage measuring device is connected to the control device, to turn off the current when the differential voltage from voltage and target voltage reached zero.
  • the voltage measuring device and the device for comparison coincide in the differential voltage measuring device.
  • the current source and / or the further current source is included an electrical power supply connected to the at least one battery and / or comprises at least one battery and / or a power pack.
  • One for the operation of the piezo actuator required high voltage is according to a further embodiment generated by a voltage converter of the electrical power supply.
  • the supply of the electrical current in the piezo actuator can be different Way be turned on and off.
  • an electrical switching device arranged with the electrical Control device is connected to the power supply of the power source and / or switch the further power source on and off.
  • the electrical control device comprises a microcomputer, i.e. works under software control.
  • the electrical control device a hardware control.
  • the piezo drive comprises a displacement wall of a displacement chamber for dosing fluids, by deforming the displacement wall Sucking fluid into and / or injecting fluid into the displacement chamber.
  • the displacement chamber is then part of the piezo drive, which Dosing of fluids causes.
  • the displacement chamber and other components a microdosing device can in particular as in WO 99/100999 and described in WO 99/37400. The relevant information in The above publications are incorporated by reference into this application.
  • the piezo drive comprises a piezo stack 10 which can be linearly expanded by a path s or is contractible.
  • the current source 20 also includes a current source 20 connected to the piezo stack 10 for charging of the piezo stack.
  • the current source 20 has an adjustable current, in the example between 0 and 350 mA.
  • the piezo stack 10 there is a further current source 30 connected to the piezo stack 10 available for unloading the piezo stack 10.
  • the other power source is, for example adjustable in the range from 0 to 4 mA.
  • the current sources 20, 30 are included connected to a common digital-to-analog converter 40.
  • the current sources 20, 30 are also connected to a voltage converter 50 which converts a battery voltage of 4 volts into a piezo voltage of 185 volts.
  • the Voltage converter 50 can be designed as a transformer converter, the DC voltage the battery is chopped, transformed and rectified at approx To provide voltage of 185 volts for the piezo stack 10.
  • the voltage converter 50 is connected via an electrical switching device 60 Power sources 20 and 30 connected.
  • the differential voltage measuring device 70 is also connected to the piezo stack 10. It comprises a precision comparator 71 a further precision comparator 72 for detecting an upper end voltage for detecting a lower final voltage.
  • the precision comparators 71, 72 are connected to a two-channel digital-to-analog converter 81 of calibration 80, Via which an upper and a lower target voltage can be specified.
  • the two-channel digital-to-analog converter 81 is provided with a reference voltage source 82 connected.
  • the two precision comparators 71, 72 are via a precision differential amplifier 73 connected to the piezo stack 10, the precision differential amplifier 73 the precision comparators 71, 72 one of the voltage at Piezostack 10 supplies proportional voltage.
  • a control computer 90 available, which in the example is a microcontroller of the type NEC 78 Kxxx. The control computer 90 is with the digital-to-analog converter 40 of the two current sources 20, 30 connected to the charging or discharging currents adjust.
  • control computer 90 is connected to the voltage converter 50 in order to Control voltage conversion.
  • the control computer 90 is also connected to the switching device 60 in order to to open the connection of the voltage converter 50 to the current sources 20, 30 and close.
  • control computer 90 is connected to the calibration 80 in order for the Set reference voltages for the precision comparators 71, 72. Finally the control computer 90 is connected to the differential voltage measuring device 70, to receive the output signals provided by the precision comparators 71, 72.
  • the piezo drive is used - for example in connection with a displacement chamber a microdosing device - operated so that the control computer 90 first the digital-to-analog converter 40 the charging current of the current source 20 and the discharging current the current source 30 depending on the desired dynamics. Furthermore the control device 90 closes the switching device 60 and initially connects the power source 20 with the piezo stack 10.
  • the voltage rise at the piezo stack 10 is via the precision differential amplifier 73 fed to the precision comparator 71, the voltage with a target voltage compares it from the control device 90 via the digital-to-analog converter 81 is specified.
  • the control device receives 90 a signal which indicates that the desired deflection has been reached and triggers an interrupt.
  • the control device 90 switches the current source 20 off and on the power source 30 to switch from the charging phase to the discharging phase.
  • the one from the control device 90 via the digital-to-analog converter 81 Target voltage supplied precision comparator 72 triggers when it reaches the predetermined Target voltage at control device 90 a further interrupt, which signals the end of the process.
  • the Piezostack 10 has that desired extent contracted and the power source 30 is by means of Switching device 60 switched off.
  • the voltage measuring device 70 is adjusted once during manufacture (Offset compensation of differential amplifier 73) and then after compensation the response times of the control device 90 an operation of any Piezostacks 10 of similar electrical values possible without further individual calibration.
  • An advantage of this mode of operation is that an accurate determination of the electrical data of the piezo stack 10 is not necessary and changes through Aging, temperature etc. can be automatically compensated.
  • the accuracy of the Current sources 20, 30 only play a subordinate role. inaccuracies affect only in slight change in dynamic behavior, however this in such a small way that there is no change in the dosing behavior is expected.
  • FIG. 2 An example of a hardware control is additionally shown in FIG. 2.
  • This comprises a state machine 100, which via the digital-to-analog converter 40 Current sources 20, 30 and which controls the electrical switching device 60.
  • the State machine 100 the output signals of the precision comparators 71, 72 fed.
  • State machine 100 may be digitally or analog controlled State machine.
  • the control device 90 only serves the control of the calibration 80 and the voltage converter 50. These too Functions can be taken over by hardware.
  • the electricity and Voltage curve on the piezo stack 10 is the same as that in the one described above Embodiment without state machine 100, in which the components 20, 30, 40, 60 also controlled by the software-controlled control device 90 become.

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes, bei dem für eine gewünschte Auslenkung eines Piezoaktors mit Hilfe der Auslenkungskennlinie des Piezoaktors eine an den Piezoaktor anzulegende Sollspannung ermittelt wird, der Piezoaktor mittels einer Stromquelle mit einem Strom gespeist wird, die Spannung am Piezoaktor beim Speisen des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle gemessen wird, die gemessene Spannung mit der Sollspannung verglichen wird und beim Erreichen der Sollspannung die Speisung des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle abgeschaltet wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Piezoantriebes und auf einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Piezoantrieb.
Piezoantriebe können auf verschiedenen Gebieten zur Anwendung kommen. Ein Anwendungsgebiet sind Dosiergeräte, insbesondere für kleine Dosiermengen im Nano- bis Milliliterbereich.
Die WO 99/10099 offenbart verschiedene Mikrodosiersysteme, die einen Freistrahldosierer und/oder eine Mikromembranpumpe aufweisen. Mikromembranpumpe bzw. Freistrahldosierer haben eine Verdrängerkammer und eine dieser zugeordnete, verformbare Verdrängerwand bzw. -membran, die von einem piezoelektrischen Aktor angetrieben werden kann. Die Verdrängerkammer ist mit einem Reservoir zum Versorgen mit Flüssigkeit verbunden und speist eine Dosieröffnung, die als Düse ausgebildet sein kann. Bei der Mikromembranpumpe läuft oder tropft die Flüssigkeit aus einer Dosieröffnung ab. Beim Freistrahldosierer wird hingegen die Flüssigkeit in einem Freistrahl aus der Dosieröffnung ausgestoßen. Aus dieser Druckschrift ist es bereits bekannt, ein Fluidmodul aus einem Reservoir und einer Verdrängerkammer in einen Aufnahmeschacht einer Dosiervorrichtung einzusetzen, die einen dem Aufnahmeschacht zugeordneten Aktor hat, der auf die Membran des Moduls einwirkt.
Aus der WO 99/37400 ist eine weitere Mikrodosiervorrichtung bekannt, die ein auswechselbar in einem Gehäuse angeordnetes Dosiermodul aufweist. Das Dosiermodul umfaßt einen Dosierchip mit Verdrängermembran und Druckkammer, die mit einer Düse und einem Mediumreservoir verbunden ist. Auch hier sind Aktor der Mikrodosiervorrichtung und der Verdränger des Dosiermoduls nicht fest miteinander verbunden. Vielmehr wird der Aktor lediglich in Kontakt mit dem Verdränger gebracht. Der Aktor ist ein Piezostapelaktor ("Piezostack"), dessen Kraft über einen drehbar gelagerten Hebellenker auf einen Druckpunkt der Dosierkammer übertragen wird. Das Dosiervolumen ist abhängig von der an den Piezostack angelegten Piezospannung. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in einem als Ansaugphase bezeichneten Intervall ein Ansteuersignal U (t) mit einer geringen Flankensteilheit an die Betätigungsvorrichtung angelegt, was eine langsame Betätigung der Membran aus der Ausgangslage bewirkt. In einer Dosierphase wird das Ansteuersignal in einem sehr kurzen Intervall heruntergesteuert, um die Flüssigkeit durch die Düse in einem freien Strahl auszustoßen.
Bei der vorbekannten Spannungssteuerung ist nachteilig, daß die Genauigkeit der Auslenkung des Piezostacks nicht immer den Anforderungen entspricht.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes mit einer verbesserten Genauigkeit zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll ein geeigneter Piezoantrieb zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ferner wird sie durch einen Piezoantrieb mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Piezoantriebes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes wird
  • für eine gewünschte Auslenkung eines Piezoaktors mit Hilfe der Auslenkungskennlinie des Piezoaktors eine an den Piezoaktor anzulegende Sollspannung ermittelt,
  • der Piezoaktor mittels einer Stromquelle mit einem Strom gespeist,
  • die Spannung am Piezoaktor beim Speisen des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle gemessen,
  • die gemessene Spannung mit der Sollspannung verglichen und
  • beim Erreichen der Sollspannung die Speisung des Piezoaktors mit dem Strom aus der Stromquelle abgeschaltet.
Ein Piezoantrieb, der geeignet zur Durchführung des Verfahrens ist, hat
  • einen Piezoaktor,
  • eine Einrichtung zum Ermitteln einer an den Piezoaktor anzulegenden Sollspannung für eine gewünschte Auslenkung des Piezoaktors,
  • eine mit dem Piezoaktor verbundene Stromquelle zum Speisen des Piezoaktors mit einem Strom,
  • eine mit dem Piezoaktor verbundene Spannungsmeßeinrichtung zum Messen der Spannung am Piezoaktor,
  • eine mit der Spannungsmeßeinrichtung und der Einrichtung zum Ermitteln einer Sollspannung verbundene Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen Spannung und der Sollspannung und
  • eine mit der Einrichtung zum Vergleichen und der Stromquelle verbundene elektrische Steuereinrichtung zum Abschalten der Speisung des Piezoaktors mit dem Strom der Stromquelle beim Erreichen der Sollspannung am Piezoaktor.
Analysen der vorbekannten Spannungssteuerung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung haben ergeben, daß sich eine vorgegebene Spannung erst allmählich am Piezostack einstellt, da dieser elektrisch einem Kondensator entspricht, so daß die Spannung entsprechend einer Exponentialfunktion ansteigt. Da nun aber die Auslenkung des Piezostacks proportional zur Spannung ist, wird die gewünschte Auslenkung erst mit einer gewissen Zeitverzögerung erreicht. Zudem ist die exponentielle Änderung der Auslenkung von einer sich stetig ändernden Dynamik begleitet. Als zusätzlicher unerwünschter Nebeneffekt stellt sich bei der Spannungssteuerung eine dielektrische Hysterese ein, wodurch es sehr schwierig wird, die Beziehung zwischen angelegter Spannung, Dynamik und Auslenkung zu ermitteln. Dem ist bei dem vorbekannten Ausführungsbeispiel mit dem Steuerflanken aufweisenden Ansteuersignal noch die zeitliche Änderung des Ansteuersignales überlagert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der Piezoantrieb arbeiten anstatt mit einer Spannungsquelle mit einer Stromquelle. Die Stromquelle zeichnet sich durch einen großen Innenwiderstand aus, so daß sie einen im wesentlichen konstanten Strom liefert. Der Innenwiderstand der idealen Stromquelle geht gegen Unendlich. Durch Laden bzw. Entladen des Piezoaktors mit einem konstanten eingeprägten Strom wird ein linearer Anstieg bzw. Abfall der Spannung am Piezoaktor erreicht, wodurch die Steigung bzw. Dynamik dieses Anstieges bzw. Abfalles abhängig von der treibenden Stromstärke ist. Untersuchungen im Zusammenhang mit der Erfindung haben auch gezeigt, daß bei dieser Art der Ansteuerung eine Hysterese des Weges vermieden bzw. minimiert wird.
Die einfachste Form, den Piezoaktor durch Stromsteuerung zu einer definierten Auslenkung zu zwingen, bestünde in einer zeitgesteuerten Stromquelle. Die Genauigkeit der Stromquelle und der Zeitsteuerung könnte mit relativ geringem Aufwand sichergestellt werden. Die sich über die Bestromungszeit einstellende Spannung und damit die Auslenkung des Piezoaktors ist jedoch auch eine Funktion der Kapazität des Piezostacks. Genauere Untersuchungen haben ergeben, daß sich dieser nicht wie ein idealer Kondensator verhält, sondern daß sich die Kapazität mit der Auslenkung des Piezoaktors ändert, wobei zwischen Kapazität und Auslenkung kein linearer Zusammenhang besteht. Außerdem würden Abhängigkeiten der Kapazität von Temperatur, Alterung und mechanischer Vorspannung am Piezoaktor zu Ungenauigkeiten bezüglich der Spannung und damit der Auslenkung führen.
Die Erfindung arbeitet deshalb mit einer den Piezoaktor speisenden Stromquelle und einer Messung der tatsächlich am Piezoaktor beim Speisen des Stroms anliegenden Spannung. Die gemessene Spannung wird mit der für das Erreichen der gewünschten Auslenkung erforderlichen Sollspannung verglichen, die mit Hilfe der Auslenkungskennlinie des Piezoaktors ermittelt werden kann, d.h. der Abhängigkeit der Auslenkung des Piezoaktors von der anliegenden Spannung. Sobald die gemessene Spannung der Sollspannung entspricht, wird die Speisung des Piezoaktors abgeschaltet und damit die gewünschte Auslenkung exakt erreicht. Auf diese Weise kann der Piezoaktor sowohl geladen als auch entladen werden, um den Piezoaktor auszudehnen oder zusammenzuziehen, d.h. in verschiedenen Richtungen auszulenken.
Eine nicht konstante Kapazität des Piezoaktors hat bei dieser Betriebsart nur noch einen geringen Einfluß auf die Dynamik der Auslenkung, aber nicht mehr auf die Auslenkung selbst. Die Genauigkeit der Auslenkung wird vor allem durch die Genauigkeit der Messung der Spannung am Piezoaktor bestimmt. Diese kann durch eine kalibrierte Spannungsmeßeinrichtung sichergestellt werden. Die Stromquelle kann hingegen grundsätzlich unabgeglichen betrieben werden und auch die Kapazität des Piezoaktors braucht grundsätzlich nicht berücksichtigt zu werden. Die Abhängigkeit von der toleranzbehafteten und im dynamischen Betrieb nicht konstanten Kapazität des Piezoaktors entfällt, ebenso die Abhängigkeit von der mechanischen Vorspannung, dem Alterszustand und der Temperatur. Die Genauigkeit der Auslenkung wird unter Erhalt der Genauigkeit der Auslenkung erheblich verbessert und der Aufwand für die Fertigung und den Service reduziert. Dies ist insbesondere für Anwendungen in Dosiergeräten von Vorteil.
Die Erfindung kann grundsätzlich bei beliebigen Piezoaktoren zur Anwendung kommen. Besonders vorteilhaft kommt sie bei Piezostacks zur Anwendung, weil bei Piezostacks die oben beschriebenen Kapazitätseinflüsse besonders ausgeprägt sind.
Es folgen Ausgestaltungen des Verfahrens:
Die Dynamik der Auslenkung hängt von dem Strom ab, mit dem der Piezoaktor gespeist wird. Nach einer Ausgestaltung ist die Stromquelle eine einstellbare Stromquelle, so daß durch Einstellen des Stromes die Dynamik der Auslenkung beeinflußbar ist. Durch die Einstellung der Stromquelle kann für die gesamte Auslenkung eine bestimmte Dynamik vorgegeben werden. Ferner kann auch durch Einstellen während der Auslenkung die Dynamik der Auslenkung beeinflußt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der Piezoaktor so gesteuert, daß das Ausdehnen und das Zusammenziehen mit unterschiedlicher Dynamik erfolgt. Dies kann insbesondere für die Verformung der Verdrängerwand von Verdrängerkammern in Dosiergeräten genutzt werden.
Nach einer Ausgestaltung wirkt der Piezoaktor auf eine verformbare Verdrängerwand einer Verdrängerkammer zum Dosieren von Fluiden ein und wird die Auslenkung des Piezoaktors für eine gewünschte Dosiermenge des Fluids mit Hilfe einer Dosiercharakteristik der Verdrängerkammer ermittelt und der Piezoaktor entsprechend gesteuert. Die Verdrängerkammer ist damit Bestandteil eines Piezoantriebs, der die Dosierung von Fluiden bewirkt. Die Dosiercharakteristik ist die Abhängigkeit des verdrängten Fluidvolumens von der Verformung der Verdrängerwand, die für die Verdrängerkammer ermittelbar ist.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die gewünschte Dosiermenge mittels einer einzigen Auslenkung in die Verdrängerkammer aufgenommen und/oder aus dieser ausgestoßen. Dies kommt bei verhältnismäßig kleinen geringeren Dosiermengen zur Anwendung, die das Verdrängungsvolumen der Verdrängerkammer unterschreiten. Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird die gewünschte Dosiermenge mittels mehrerer Auslenkungen in die Verdrängerkammer aufgenommen und/oder aus dieser ausgestoßen. Dies gilt insbesondere für verhältnismäßig große Dosiermengen, die das Verdrängungsvolumen der Verdrängerkammer übersteigen.
Wird die am Piezoaktor gemessene Spannung die Sollspannung nicht erreicht, wird auch die gewünschte Auslenkung nicht erzielt. Nach einer Ausgestaltung wird deshalb bei Nichterreichen der Sollspannung eine Fehlermeldung generiert.
Es folgen Ausgestaltungen des Piezoantriebs:
Nach einer Ausgestaltung ist mit dem Piezoaktor und der elektrischen Steuereinrichtung eine Stromquelle zum Laden und eine weitere Stromquelle zum Entladen verbunden, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Piezoaktors zu steuern.
Die Spannungsmeßeinrichtung und die Einrichtung zum Vergleichen können verschiedene Einrichtungen sein. Nach einer Ausgestaltung ist die Einrichtung zum Ermitteln der Sollspannung mit einer Differenzspannungsmeßeinrichtung verbunden und ist die Differenzspannungsmeßeinrichtung mit der Steuereinrichtung verbunden, um den Strom abzuschalten, wenn die Differenzspannung aus Spannung und Sollspannung den Wert Null erreicht. Die Spannungsmeßeinrichtung und die Einrichtung zum Vergleichen fallen in der Differenzspannungsmeßeinrichtung zusammen.
Nach einer Ausgestaltung ist die Stromquelle und/oder die weitere Stromquelle mit einer elektrischen Spannungsversorgung verbunden, die mindestens eine Batterie und/oder mindestens einen Akku und/oder ein Netzteil umfaßt. Eine für den Betrieb des Piezoaktors erforderliche hohe Spannung wird nach einer weiteren Ausgestaltung durch einen Spannungswandler der elektrischen Spannungsversorgung erzeugt.
Die Speisung des elektrischen Stroms in den Piezoaktor kann auf verschiedene Weise eingeschaltet und abgeschaltet werden. Nach einer Ausgestaltung ist zwischen elektrischer Spannungsversorgung und der Stromquelle und/oder der weiteren Stromquelle eine elektrische Schalteinrichtung angeordnet, die mit der elektrischen Steuereinrichtung verbunden ist, um die Spannungsversorgung der Stromquelle und/oder der weiteren Stromquelle ein- und abzuschalten.
Nach einer Ausgestaltung umfaßt die elektrische Steuereinrichtung einen Mikrocomputer, d.h. arbeitet softwaregesteuert. Nach einer anderen Ausgestaltung ist die elektrische Steuereinrichtung eine Hardwaresteuerung.
Nach einer Ausgestaltung umfaßt der Piezoantrieb eine Verdrängerwand einer Verdrängerkammer zum Dosieren von Fluiden, um durch Verformen der Verdrängerwand Fluid in die Verdrängungskammer auszusaugen und/oder aus dieser einzustoßen. Die Verdrängerkammer ist dann Bestandteil des Piezoantriebes, der die Dosierung von Fluiden bewirkt. Die Verdrängerkammer und weitere Komponenten einer Mikrodosiervorrichtung können insbesondere wie in der WO 99/100999 und der WO 99/37400 beschrieben, ausgeführt sein. Die diesbezüglichen Angaben in vorstehenden Druckschriften werden durch Bezugnahme in diese Anmeldung einbezogen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind Einrichtungen zum Eingeben einer Auslenkung des Piezoaktors und/oder einer Dosiermenge vorhanden.
Außer der Anwendung des Verfahrens und des Piezoantriebes in der Dosiertechnik sind vielfältige weitere Anwendungen möglich, bei denen es auf eine genaue Auslenkung des Piezoaktors ankommt, insbesondere bei Mikro-Verstellantrieben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der anliegenden Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel zeigen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
einen Piezoantrieb in einem grobschematischen Blockbild;
Fig. 2
denselben Piezoantrieb in einem verfeinerten Blockschaltbild.
Der Piezoantrieb umfaßt einen Piezostack 10, der linear um einen Weg s ausdehnbar bzw. zusammenziehbar ist.
Ferner umfaßt er eine mit dem Piezostack 10 verbundene Stromquelle 20 zum Laden des Piezostacks. Die Stromquelle 20 hat einen einstellbaren Strom, im Beispiel zwischen 0 und 350 mA.
Des weiteren ist eine mit dem Piezostack 10 verbundene weitere Stromquelle 30 zum Endladen des Piezostacks 10 vorhanden. Die weitere Stromquelle ist beispielsweise im Bereich von 0 bis 4 mA einstellbar.
Zum Einstellen des Lade- bzw. Entladestromes sind die Stromquellen 20, 30 mit einem gemeinsamen Digital-Analog-Wandler 40 verbunden.
Die Stromquellen 20, 30 sind ferner mit einem Spannungswandler 50 verbunden, der eine Akkuspannung von 4 Volt in eine Piezospannung von 185 Volt umwandelt. Der Spannungswandler 50 kann als Trafowandler ausgeführt sein, der die Gleichspannung des Akkus mit ca. 100 kHz zerhackt, transformiert und gleichrichtet, um die Spannung von 185 Volt für den Piezostack 10 zur Verfügung zu stellen.
Der Spannungswandler 50 ist über eine elektrische Schalteinrichtung 60 mit den Stromquellen 20 und 30 verbunden.
Des weiteren ist eine Differenzspannungsmeßeinrichtung 70 vorhanden, der eine Kalibrierung 80 zugeordnet ist. Die Differenzspannungsmeßeinrichtung 70 ist ebenfalls mit dem Piezostack 10 verbunden. Sie umfaßt eine Präzisionskomparator 71 zum Detektieren einer oberen Endspannung einen weiteren Präzisionskomparator 72 zum Detektieren einer unteren Endspannung. Die Präzisionskomparatoren 71, 72 sind mit einem zweikanaligen Digital-Analog-Wandler 81 der Kalibrierung 80 verbunden, über den eine obere und eine untere Sollspannung vorgegeben werden kann. Der zweikanalige Digital-Analog-Wandler 81 ist hierzu mit einer Referenzspannungsquelle 82 verbunden.
Des weiteren sind die beiden Präzisionskomparatoren 71, 72 über eine Präzisions-Differenzverstärker 73 mit dem Piezostack 10 verbunden, wobei der Präzisions-Differenzverstärker 73 den Präzisionskomparatoren 71, 72 eine der Spannung am Piezostack 10 proportionale Spannung zuführt. Des weiteren ist ein Steuerungsrechner 90 vorhanden, wobei es sich im Beispiel um einen Mikrocontroller vom Typ NEC 78 Kxxx handelt. Der Steuerrechner 90 ist mit dem Digital-Analog-Wandler 40 der beiden Stromquellen 20, 30 verbunden, um die Lade- bzw. Entladeströme einzustellen.
Ferner ist der Steuerrechner 90 mit dem Spannungswandler 50 verbunden, um die Spannungswandlung zu steuern.
Des weiteren ist der Steuerrechner 90 mit der Schalteinrichtung 60 verbunden, um die Verbindung des Spannungswandlers 50 mit den Stromquellen 20, 30 zu öffnen und zu schließen.
Des weiteren ist der Steuerrechner 90 mit der Kalibrierung 80 verbunden, um die Vergleichsspannungen für die Präzisionskomparatoren 71, 72 einzustellen. Schließlich der Steuerrechner 90 mit der Differenzspannungsmeßeinrichtung 70 verbunden, um die von den Präzisionskomparatoren 71, 72 gelieferten Ausgangssignale aufzunehmen.
Der Piezoantrieb wird - beispielsweise in Verbindung mit einer Verdrängerkammer einer Mikrodosiervorrichtung - so betrieben, daß zunächst der Steuerrechner 90 über den Digital-Analogwandler 40 den Ladestrom der Stromquelle 20 und den Entladestrom der Stromquelle 30 je nach der gewünschten Dynamik einstellt. Des weiteren schließt die Steuereinrichtung 90 die Schalteinrichtung 60 und verbindet zunächst die Stromquelle 20 mit dem Piezostack 10.
Der Spannungsanstieg am Piezostack 10 wird über den Präzisions-Differenzverstärker 73 dem Präzisionskomparator 71 zugeführt, der die Spannung mit einer Sollspannung vergleicht, die ihm von der Steuereinrichtung 90 über den Digital-Analog-Wandler 81 vorgegeben wird. Bei Erreichen der Sollspannung erhält die Steuereinrichtung 90 ein Signal, das das Erreichen der gewünschten Auslenkung anzeigt und einen Interrupt auslöst.
Aufgrund des Interrupts schaltet die Steuereinrichtung 90 die Stromquelle 20 ab und die Stromquelle 30 ein, um von der Ladephase auf die Entladephase umzuschalten. Der von der Steuereinrichtung 90 über den Digital-Analog-Wandler 81 mit einer Sollspannung versorgte Präzisionskomparator 72 löst beim Erreichen der ihm vorgegebenen Sollspannung bei der Steuereinrichtung 90 einen weiteren Interrupt aus, der das Ende des Ablaufs signalisiert. Dann hat sich der Piezostack 10 um das gewünschte Ausmaß zusammengezogen und die Stromquelle 30 wird mittels der Schalteinrichtung 60 abgeschaltet.
Die Spannungsmeßeinrichtung 70 wird während der Fertigung einmalig abgeglichen (Offsetkompensation des Differenzverstärkers 73) und anschließend ist nach Kompensation der Reaktionszeiten der Steuereinrichtung 90 ein Betrieb von beliebigen Piezostacks 10 ähnlicher elektrischer Werte ohne weitere Einzelkalibrierung möglich.
Ein Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, daß eine genaue Bestimmung der elektrischen Daten des Piezostacks 10 nicht notwendig ist und Veränderungen durch Alterung, Temperatur etc. automatisch ausgeglichen werden. Die Genauigkeit der Stromquellen 20, 30 spielt nur noch eine untergeordnete Rolle. Ungenauigkeiten wirken sich nur noch in leichter Veränderung des dynamischen Verhaltens aus, aber dies in so geringer Weise, daß hier keine Veränderung des Dosierverhaltens zu erwarten ist.
In die Fig. 2 ist zusätzlich ein Beispiel für eine Hardwaresteuerung dargestellt. Diese umfaßt eine Zustandsmaschine 100, die über den Digital-Analog-Wandler 40 die Stromquellen 20, 30 und die die elektrische Schalteinrichtung 60 steuert. Der Zustandsmaschine 100 werden die Ausgangssignale der Präzisionskomparatoren 71, 72 zugeführt. Die Zustandsmaschine 100 kann eine digital oder analog gesteuerte Zustandsmaschine sein. In diesem Beispiel dient die Steuereinrichtung 90 lediglich der Steuerung der Kalibrierung 80 und des Spannungswandlers 50. Auch diese Funktionen können von einer Hardware übernommen werden. Der Strom- und Spannungsverlauf am Piezostack 10 ist derselbe wie der bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ohne Zustandsmaschine 100, bei dem die Komponenten 20, 30, 40, 60 ebenfalls von der softwaregesteuerten Steuereinrichtung 90 gesteuert werden.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Steuern eines Piezoantriebes, bei dem
    für eine gewünschte Auslenkung eines Piezoaktors (10) mit Hilfe der Auslenkungskennlinie des Piezoaktors (10) eine an den Piezoaktor (10) anzulegende Sollspannung ermittelt wird,
    der Piezoaktor (10) mittels einer Stromquelle (20, 30) mit einem Strom gespeist wird,
    die Spannung am Piezoaktor (10) beim Speisen des Piezoaktors (10) mit dem Strom aus der Stromquelle (20, 30) gemessen wird,
    die gemessene Spannung mit der Sollspannung verglichen wird und
    beim Erreichen der Sollspannung die Speisung des Piezoaktors (10) mit dem Strom aus der Stromquelle (20, 30) abgeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stromquelle (20, 30) einstellbar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Piezoaktor (10) so gesteuert wird, daß das Ausdehnen und das Zusammenziehen mit unterschiedlicher Dynamik erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Piezoaktor (10) auf eine verformbare Verdrängerwand einer Verdrängerkammer zum Dosieren von Fluiden einwirkt und die Auslenkung des Piezoaktors (10) für eine gewünschte Dosiermenge des Fluids mit Hilfe einer Dosiercharakteristik der Verdrängerkammer ermittelt und der Piezoaktor entsprechend gesteuert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine gewünschte Dosiermenge mittels einer einzigen Auslenkung in die Verdrängerkammer aufgenommen und/oder aus dieser ausgestoßen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die gewünschte Dosiermenge mittels mehrerer Auslenkungen in die Verdrängerkammer aufgenommen und/oder aus dieser ausgestoßen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem bei Nichterreichen der Sollspannung eine Fehlermeldung generiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Piezoantrieb mit einem Piezostack gesteuert wird.
  9. Piezoantrieb, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit
    einem Piezoaktor (10),
    einer Einrichtung zum Ermitteln (80) einer an den Piezoaktor (10) anzulegenden Sollspannung für eine gewünschte Auslenkung des Piezoaktors (10),
    einer mit dem Piezoaktor (10) verbundenen Stromquelle (20, 30) zum Speisen des Piezoaktors (10) mit einem Strom,
    einer mit dem Piezoaktor (10) verbundenen Spannungsmeßeinrichtung (70) zum Messen der Spannung am Piezoaktor (10),
    einer mit der Spannungsmeßeinrichtung (70) und der Einrichtung zum Ermitteln einer Sollspannung verbundenen Einrichtung zum Vergleichen (70) der gemessenen Spannung und der Sollspannung und
    einer mit der Einrichtung zum Vergleichen (70) und der Stromquelle (20, 30) verbundenen elektrischen Steuereinrichtung (90) zum Abschalten der Speisung des Piezoaktors (10) mit dem Strom der Stromquelle (20, 30) beim Erreichen der Sollspannung am Piezoaktor (10).
  10. Piezoantrieb nach Anspruch 9, bei dem mit dem Piezoaktor (10) und der elektrischen Steuereinrichtung (90) eine Stromquelle (20) zum Laden des Piezoaktors (10) und eine weitere Stromquelle (30) zum Entladen des Piezoaktors (10) verbunden ist.
  11. Piezoantrieb gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Einrichtung zum Ermitteln (80) der Sollspannung mit einer Differenzspannungsmeßeinrichtung (70) verbunden ist und die Differenzspannungsmeßeinrichtung (70) mit der Steuereinrichtung (90) verbunden ist, um den Strom abzuschalten, wenn die Differenzspannung aus Spannung und Sollspannung den Wert Null erreicht.
  12. Piezoantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Stromquelle (20) und/oder die weitere Stromquelle (30) mit einer elektrischen Spannungsversorgung (50) verbunden ist, die mindestens eine Batterie und/oder mindestens einen Akku und/oder ein Netzteil umfaßt.
  13. Piezoantrieb nach Anspruch 12, bei dem die elektrische Spannungsversorgung (50) einen Spannungswandler umfaßt.
  14. Piezoantrieb nach Anspruch 12 oder 13, bei dem zwischen der elektrischen Spannungsversorgung (50) und der Stromquelle (20) und/oder der weiteren Stromquelle (30) eine elektrische Schalteinrichtung (60) angeordnet ist, die mit der elektrischen Steuereinrichtung (90) verbunden ist, um die Spannungsversorgung der Stromquelle (20) und/oder der weiteren Stromquelle (30) ein- und abzuschalten.
  15. Piezoantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die elektrische Steuereinrichtung (90) einen Mikrocomputer umfaßt.
  16. Piezoantrieb gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die elektrische Steuereinrichtung (90) eine Hardwaresteuerung (100) umfaßt.
  17. Piezoantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem der Piezoaktor (10) ein Piezostack ist.
  18. Piezoantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 17, der eine verformbare Verdrängerwand einer Verdrängerkammer zum Dosieren von Fluiden umfaßt, um durch Verformen der Verdrängerwand Fluid aus der Verdrängerkammer auszustoßen und/oder in diese einzusaugen.
  19. Piezoantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 18, der Einrichtungen zum Eingeben einer Auslenkung des Piezoaktors (10) und/oder einer Dosiermenge umfaßt.
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